1、第1頁/共28頁快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用機械工業(yè)出版社（第三版）機械工業(yè)出版社（第三版） 第一章第一章 概概 論論第2頁/共28頁 快速成型技術(shù)產(chǎn)生的背景快速成型技術(shù)產(chǎn)生的背景全球制造戰(zhàn)略的變遷全球制造戰(zhàn)略的變遷 全球制造業(yè)企業(yè)的整體發(fā)展戰(zhàn)略已經(jīng)從上世紀全球制造業(yè)企業(yè)的整體發(fā)展戰(zhàn)略已經(jīng)從上世紀60年代年代“如何做的更如何做的更多多”、70年代年代“如何做的更便宜如何做的更便宜”、80年代年代“如何做的更好如何做的更好”發(fā)展到發(fā)展到90年代的年代的“如何做的更快如何做的更快”。第一章第一章 概概 論論第3頁/共28頁第一章第一章 概概 論論v 快速成型

2、系統(tǒng)的組成快速成型系統(tǒng)的組成 快速成型系統(tǒng)是下面若干快速成型系統(tǒng)是下面若干先進技術(shù)集成的。先進技術(shù)集成的。（1 1）計算機輔助設(shè)計）計算機輔助設(shè)計(CAD)(CAD)（2 2）計算機輔助制造）計算機輔助制造(CAM)(CAM)（3 3）計算機數(shù)字控制）計算機數(shù)字控制(CNC)(CNC)（4 4）激光）激光（5 5）精密伺服驅(qū)動）精密伺服驅(qū)動（6 6）新材料）新材料第4頁/共28頁 快速成型技術(shù)概念快速成型技術(shù)概念第一章第一章 概概 論論 快速成型（也稱快速原型）制造技術(shù)(Rapid Prototyping & Manufacturing，RP&M 或 RP)，是由CAD數(shù)字模型

3、驅(qū)動的通過特定材料采用逐層累積方式制作三維物理模型的先進制造技術(shù)。傳統(tǒng)打印機2D產(chǎn)品造型產(chǎn)品原型快速成型快速成型技術(shù)3D第5頁/共28頁第一章第一章 概概 論論 與傳統(tǒng)的實現(xiàn)上述用途的方法相比，其顯著優(yōu)勢是：制造周期大大縮短（由幾周、幾個月縮短為若干個小時），成本大大降低。尤其是衍生出來的后續(xù)的基于快速原型的快速模具制造技術(shù)進一步發(fā)揮了快速成型制造技術(shù)的優(yōu)越性，可在短期內(nèi)迅速推出滿足用戶需求的一定批量的產(chǎn)品，大幅度降低了新產(chǎn)品開發(fā)研制的成本和投資風(fēng)險，縮短了新產(chǎn)品研制和投放市場的周期，在小批量、多品種、改型快的現(xiàn)代制造模式下具有強勁的發(fā)展勢頭。v 快速原型的優(yōu)勢快速原型的優(yōu)勢v 快速原型的用途

4、快速原型的用途 快速成型技術(shù)制作的原型（模型）可用于新產(chǎn)品的外觀評估、裝配檢驗及功能檢驗等，作為樣件可直接替代機加工或者其他成形工藝制造的單件或小批量的產(chǎn)品，也可用于硅橡膠模具的母模或熔模鑄造的消失型等，從而批量地翻制塑料及金屬零件。第6頁/共28頁第一章第一章 概概 論論v 快速成型的制作過程快速成型的制作過程CAD模型模型切片離散切片離散單層制作單層制作逐層累積逐層累積 由傳統(tǒng)的“去除”加工法 部分去除大于工件的毛坯上的材料來得到工件而改變?yōu)槿碌摹霸鲩L”加工法用一層層的小毛坯逐步疊加成大工件，將復(fù)雜的三維加工分解成簡單的二維加工的組合。第7頁/共28頁快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型

5、技術(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的特點及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的特點及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型技術(shù)的早期發(fā)展123第一章第一章 概概 論論快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢4第8頁/共28頁u1892年年，J. E. Blanther在其美國專利中曾建議用疊層的方法來制作地圖模型。該方法指出將地形圖的輪廓線壓印在一系列的蠟片上并沿輪廓線切割蠟片，然后堆疊系列蠟片產(chǎn)生三維地貌圖。 u1902年年，Carlo Baese在他的美國專利(# 774549)中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，這是現(xiàn)代第一種快速成形技術(shù)“立體平板印刷術(shù)”(StereoLithography)的初始

6、設(shè)想。u1940年年，Perera提出了在硬紙板上切割輪廓線，然后將這些紙板粘結(jié)成三維地形圖的方法。u1964年年，E. E. Zang進一步細化了該方法，建議用透明紙板，且每一塊均帶有詳細的地貌形態(tài)標記，制作地貌圖。 第一節(jié)第一節(jié) 快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型技術(shù)的早期發(fā)展 快速成型技術(shù)的基本原理是基于離散的增長方式成型原型或制品。歷史上這種“增長” 制造方式由來已久，其發(fā)展根源可以追朔到早期的地形學(xué)工藝領(lǐng)域。第9頁/共28頁第一節(jié)第一節(jié) 快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型技術(shù)的早期發(fā)展u1972年年，K. Matsubara提出在上述方法中使用光固化材料，將光敏聚合樹脂涂覆到耐火顆粒上形成板

7、層，光線有選擇地投射或掃射到這個板層，將規(guī)定的部分硬化，沒有掃描或沒有硬化的部分被某種溶劑溶化，用這種方法形成的薄板層隨后不斷地堆積在一起形成模型。 u1976年年，P. L. DiMatteo進一步明確地提出，這種堆積技術(shù)能夠用來制造用普通機加工設(shè)備難以加工的曲面，如螺旋槳、三維凸輪和型腔模具等。在具體實踐中，通過銑床加工成形沿高度標識的金屬層片，然后通過粘接成疊層狀，采用螺栓和帶錐度的銷釘進行連接加固，制作了型腔模，如圖所示。由DiMatteo制作的型腔模疊層模型第10頁/共28頁第一節(jié)第一節(jié) 快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型技術(shù)的早期發(fā)展u1977年年，W. K. Swainson在他的美

8、國專利中提出，通過選擇性的三維光敏聚合物體激光照射直接制造塑料模型工藝，同時Battelle實驗室的R. E. Schwerzel也進行了類似的工作。u1979年年，日本東京大學(xué)T. Nakagawa教授等開始用薄板技術(shù)制造出實用的工具，如落料模、成形模和注射模等。其中特別值得一提的是，T. Nakagawa教授提出了注射模中復(fù)雜冷卻通道的制作可以通過這種方式來得以實現(xiàn)。u1981年年，H. Kodama首先提出了一套功能感光聚合物快速成型系統(tǒng)，應(yīng)用了三種不同的方法制作疊層。第11頁/共28頁第一節(jié)第一節(jié) 快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型技術(shù)的早期發(fā)展第12頁/共28頁第一節(jié)第一節(jié) 快速成型技術(shù)

9、的早期發(fā)展快速成型技術(shù)的早期發(fā)展第13頁/共28頁第一節(jié)第一節(jié) 快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型技術(shù)的早期發(fā)展第14頁/共28頁第一節(jié)第一節(jié) 快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型技術(shù)的早期發(fā)展v 快速成型系統(tǒng)的開發(fā)商（國外）快速成型系統(tǒng)的開發(fā)商（國外） 美國在RP&M系統(tǒng)(設(shè)備)研制、生產(chǎn)、銷售方面占全球主導(dǎo)地位，生產(chǎn)RP&M設(shè)備系統(tǒng)的公司主要有： 3D Systems公司(光固化快速成型設(shè)備) Stratasys公司(熔融沉積快速成型設(shè)備) Helisys公司(疊層實體快速成型設(shè)備) DTM公司（粉末激光燒結(jié)快速成型設(shè)備） 歐洲和日本等國家也不甘落后，紛紛進行RP&M技術(shù)、設(shè)

10、備研制等方面的研究工作，如德國的EOS公司、以色列的Cubital公司以及日本的CMET公司等。第15頁/共28頁第一節(jié)第一節(jié) 快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型技術(shù)的早期發(fā)展v 快速成型技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)（國內(nèi)）快速成型技術(shù)研究及系統(tǒng)開發(fā)（國內(nèi)） 我國從上世紀90年代初由清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校及其他科研院所在國家及地方政府資金支持下啟動快速成型技術(shù)的研究工作。幾所高校及部分研究機構(gòu)在早期的快速成型設(shè)備及相應(yīng)的材料開發(fā)中各有側(cè)重，于90年代中后期陸續(xù)推出各自具有代表性的快速成型設(shè)備。應(yīng)用較多的為：陜西恒通智能機器有限公司（西安交通大學(xué)）：光固化快速成型設(shè)備（SLA）武漢濱湖機電

11、有限公司（華中科技大學(xué)）：疊層實體快速成型設(shè)備（LOM）、 粉末激光燒結(jié)快速成型設(shè)備（SLS）等北京隆源自動成型系統(tǒng)有限公司：粉末激光燒結(jié)快速成型設(shè)備（SLS）上海聯(lián)泰科技有限公司：光固化快速成型設(shè)備（SLA）清華大學(xué)：疊層實體快速成型設(shè)備、熔融沉積快速成型設(shè)備 此外，香港大學(xué)、香港中文大學(xué)、香港科技大學(xué)、香港理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、中北大學(xué)等也開展了有關(guān)設(shè)備、材料和工藝的研究；香港快速原型科技中心、深圳生產(chǎn)力促進中心、天津生產(chǎn)力促進中心等為普及和推廣快速成型技術(shù)進行了卓有成效的工作。第16頁/共28頁快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的特點及優(yōu)

12、越性快速成型技術(shù)的特點及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型技術(shù)的早期發(fā)展123第一章第一章 概概 論論快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢4第17頁/共28頁v 快速成型過程快速成型過程快速成型技術(shù)的制造方式是基于離散堆積原理的累加式成型，從成型原理上提出了一種全新的思維模式，即將計算機上設(shè)計的零件三維模型，通過特定的數(shù)據(jù)格式存儲轉(zhuǎn)換并由專用軟件對其進行分層處理，得到各層截面的二維輪廓信息，按照這些輪廓信息自動生成加工路徑，在控制系統(tǒng)的控制下，選擇性地固化光敏樹脂或燒結(jié)粉狀材料或切割一層層的成型材料，形成各個截面輪廓薄片，并逐步順序疊加成三維實體，然后進行實體的后處理，形成原型或零件

13、，如圖所示。快速成型離散和疊加過程第二節(jié)第二節(jié) 快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的主要方法及分類第18頁/共28頁v 快速成型主要工藝方法快速成型主要工藝方法根據(jù)所使用的材料和建造技術(shù)的不同，目前應(yīng)用比較廣泛的方法有如下四種：光固化成型法（Stereolithography Apparatus，SLA） 采用光敏樹脂材料通過 激光照射逐層固化而成型疊層實體制造法（Laminated Object Manufacturing，LOM） 采用紙材等薄層材料通過逐層粘結(jié)和激光切割而成型選擇性激光燒結(jié)法（Selective Laser Sintering，SLS） 采用粉狀材料通過激光選擇性燒

14、結(jié)逐層固化而成型熔融沉積制造法（Fused Deposition Manufacturing，F(xiàn)DM） 采用熔融材料加熱熔化擠壓噴射冷卻而成型第二節(jié)第二節(jié) 快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的主要方法及分類第19頁/共28頁v 快速成型工藝方法分類快速成型工藝方法分類快速原型技術(shù)從廣義上講可以分成兩類：材料累積和材料去除。但目前人們談及的快速成型制造方法通常指的是累積式的成型方法，而累積式的快速原型制造方法通常是依據(jù)原型使用的材料及其構(gòu)建技術(shù)進行分類的，如右圖所示。快速成型工藝方法的分類第二節(jié)第二節(jié) 快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的主要方法及分類第20頁/共28頁快速成型技術(shù)的

15、主要方法及分類快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的特點及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的特點及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型技術(shù)的早期發(fā)展123第一章第一章 概概 論論快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢4第21頁/共28頁快速原型技術(shù)的出現(xiàn)，開辟了不用刀具、模具而制作原型和各類零部件的新途徑，也改變了傳統(tǒng)的機械加工去除式的加工方式，而采用逐層累積式的加工方式，帶來了制造方式的變革。從理論上講，添加成形方式可以制造任意復(fù)雜形狀的零部件，材料利用率可達100。和其他先進制造技術(shù)相比，快速原型技術(shù)具有如下特點：v 快速成型技術(shù)特點快速成型技術(shù)特點 自由成型制造 制造過程快速 添加式和數(shù)字化

16、驅(qū)動成型方式 技術(shù)高度集成 突出的經(jīng)濟效益 廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域第三節(jié)第三節(jié) 快速成型技術(shù)的特點及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的特點及優(yōu)越性第22頁/共28頁 設(shè)計者受益v 快速成型技術(shù)的優(yōu)越性快速成型技術(shù)的優(yōu)越性第三節(jié)第三節(jié) 快速成型技術(shù)的特點及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的特點及優(yōu)越性采用快速成型技術(shù)之后，設(shè)計者在設(shè)計的最初階段，就能拿到實在的產(chǎn)品樣品拿到實在的產(chǎn)品樣品，對產(chǎn)品設(shè)計進行校驗和優(yōu)化，并可在不同階段快速地修改、重做樣品，甚至做出試制用工模具及少量的產(chǎn)品。設(shè)計者無需多次反復(fù)思考、修改，即可盡快得到優(yōu)化結(jié)果，從而能顯著地縮短設(shè)計周期和降低成本。 制造者受益制造者在產(chǎn)品設(shè)計的最初階段也能拿到實在的產(chǎn)品樣品也能

17、拿到實在的產(chǎn)品樣品，甚至試制用的工模具及少量產(chǎn)品，這使得他們能及早地對產(chǎn)品設(shè)計提出意見，做好原材料、標準件、外協(xié)加工件、加工工藝和批量生產(chǎn)用工模具等的準備工作，最大限度地減少失誤和返工，大大節(jié)省工時、降低成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。 推銷者受益推銷者在產(chǎn)品設(shè)計的最初階段也能拿到實在的產(chǎn)品樣品甚至少量產(chǎn)品也能拿到實在的產(chǎn)品樣品甚至少量產(chǎn)品，這使得他們能據(jù)此及早、實在地向用戶宣傳和征求意見，以及進行比較準確的市場需求預(yù)測，而不是僅憑抽象的產(chǎn)品描述或圖紙、樣本來推銷。所以，快速成型技術(shù)可顯著降低新產(chǎn)品的銷售風(fēng)險和成本，大大縮短其投放市場的時間和提高競爭能力。第23頁/共28頁 用戶受益v 快速成型技術(shù)的優(yōu)越

18、性快速成型技術(shù)的優(yōu)越性第三節(jié)第三節(jié) 快速成型技術(shù)的特點及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的特點及優(yōu)越性用戶在產(chǎn)品設(shè)計的最初階段，也能見到產(chǎn)品樣品甚至少量產(chǎn)品，這使得用戶能及早、深刻地認識產(chǎn)品，進行必要的測試，并及時提出意見，從而可以在盡可能短的時間內(nèi)，以最合理的價格得到性能最符合要求的產(chǎn)品。第24頁/共28頁快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的主要方法及分類快速成型技術(shù)的特點及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的特點及優(yōu)越性快速成型技術(shù)的早期發(fā)展快速成型技術(shù)的早期發(fā)展123第一章第一章 概概 論論快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢快速成型技術(shù)的發(fā)展趨勢4第25頁/共28頁v 快速成型技術(shù)的局限快速成型技術(shù)的局限第四節(jié)第四節(jié) 快速成型技術(shù)的